一种面结构光三维测量系统的制作方法

技术特征：

1.一种面结构光三维测量系统，其特征在于，包括

分束镜，用于光路折叠；

数字投影模块，将条纹投影结构光照射至待测物体表面；

LCD显示屏，通过分束镜将相对条纹投影结构光具有相移的条纹反射结构光照射至待测物体表面；

CCD相机，通过分束镜接收经待测物体表面调制的条纹反射结构光或调制的条纹投影结构光；

处理模块，控制数字投影模块投影或LCD显示屏照明，并处理由CCD相机对应调制条纹反射结构光或调制条纹投影结构光反馈输出的图像数据。

2.根据权利要求1所述的一种面结构光三维测量系统，其特征在于，还包括透镜，所述的LCD显示屏依次通过透镜和分束镜将条纹反射结构光照射至待测物体表面。

3.根据权利要求1所述的一种面结构光三维测量系统，其特征在于，所述的CCD相机的镜头选用远心镜头。

4.一种面结构光三维测量方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1、控制数字投影模块和LCD显示屏分别对应投影具有相对相移的正弦条纹投影结构光和正弦条纹反射结构光至待测物体表面；

步骤2、由CCD相机接收经待测物体表面调制的条纹反射结构光或调制的条纹投影结构光，分别获得变形投影条纹、变形反射条纹的光强度和相位；

步骤3、分别表示出变形投影条纹相位与待测物体高度关系，以及变形反射条纹与待测物体垂直方向、水平方向的梯度关系，再根据高度关系和梯度关系分别得出高度值和梯度值；

步骤4、根据Southwell格子模型的差分方程，求出复合迭代方程；

步骤5、由高度值和梯度值，分别按不同变形条纹光设置复合迭代方程的初始值，预置迭代终止条件，符合迭代终止条件时，输出结果分别作为待测物体形貌的高度信息和梯度信息。

5.根据权利要求4所述的一种面结构光三维测量方法，其特征在于，所述的步骤2，

步骤2.1、采用N步相移法求解相位，由CCD相机接收被待测物体调制的第n帧变形投影条纹或变形反射条纹表示为

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[φ(x,y)+α_n]

其中，A(x,y)为背景光强度，B(x,y)/A(x,y)表示条纹对比度，φ(x,y)为经物体调制的相位，α_n为相移大小，结合N幅条纹图；

步骤2.2、采用最小二乘法得出变形投影条纹或变形反射条纹的相位表达式

$\mathrm{\φ}(x,y)=\arctan \left[\begin{array}{c}-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_n(x,y)sin(2\mathrm{\π}n/N)\\ \stackrel{\‾}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_n(x,y)\cos (2\mathrm{\π}n/N)}\end{array}\right]$

其中，相位φ(x,y)的取值范围为在截断处展开的(-π，π)。

6.根据权利要求5所述的一种面结构光三维测量方法，其特征在于，所述的步骤3，

步骤3.1、采用条纹投影结构光照明时，待测物体的相位与高度关系可表示为

$h=\frac{AC}{\tan \mathrm{\θ}}=\frac{P_0}{tan\mathrm{\θ}}\×\frac{{\mathrm{\φ}}_{CD}}{2\mathrm{\π}}$

其中P₀为投影在参考平面上的等周期分布正弦条纹的周期，θ表示照明的方向，φ_CD表示计算出的相位差；

步骤3.2、采用条纹反射结构光照明时，基于梯度检测的原理，利用相移法与相位展开法得到物体的x、y两个方向的连续相位分布，待测物体两个方向梯度分布与相位分布的关系表示为

其中，g_x、g_y分别表示x,y方向的梯度，分别表示x,y方向的相位差，P_x或P_y为LCD显示屏上正弦条纹的周期，L_y为LCD显示屏到待测物体的距离。

7.根据权利要求5或6所述的一种面结构光三维测量方法，其特征在于，所述的步骤4，

根据复合迭代法的基础模型

$z_{i,j}={\stackrel{\‾}{z}}_{i,j}+{\stackrel{\‾}{g}}_{i,j}$

再表示为复合迭代方程

Zⁿ＝Z^n-1+G^n-1

上式中n为迭代次数，Zⁿ表示第n次迭代之后所得的高度矩阵，初始高度矩阵Z⁰用条纹投影结构光照明时所得高度值代入。G^n-1为第n次迭代所使用的梯度矩阵，G⁰用条纹反射结构光照明时所得梯度值代入。

其中

$G^n=\frac{1}{{(n+1)}^t}\×{\stackrel{\‾}{g}}_{i,j}^0+(1-\frac{1}{{(n+1)}^t})\×{\stackrel{\‾}{g}}_{i,j}^n$

上式中表示通过条纹反射技术所求得的梯度矩阵，该梯度矩阵称为原始梯度，保持不变，且当n＝0时，有而则表示第n次迭代所得高度值，再进行求导所获得的梯度矩阵，因此每次所得的矩阵都不同，该梯度称为迭代梯度；初始梯度矩阵t为衰减因子，且t>0。

8.根据权利要求7所述的一种面结构光三维测量方法，其特征在于，所述的步骤5，

预置迭代终止条件为

max|Zⁿ-Z^n-1|<0.1μm

当满足阈值0.1μm，则迭代终止，复合迭代方程输出结果作为待测物体的高度信息。